第五章執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用

《無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)》第五章執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用講授人：奚伯齊E-mail：uavcontrol@5.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內(nèi)容5.1.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成與分類(lèi)5.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述一般情況下，作用在飛行器上的力包括發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣動(dòng)力和重力。飛行器的控制力是推力和空氣動(dòng)力的合力。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制力的實(shí)現(xiàn)裝置，由操縱機(jī)構(gòu)和伺服系統(tǒng)組成。（1）操縱機(jī)構(gòu)空氣舵控制裝置——控制舵面偏轉(zhuǎn)改變作用在飛行器上的空氣動(dòng)力

推力矢量控制裝置——改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小和方向

直接力控制裝置——直接產(chǎn)生一個(gè)新的控制力作用在飛行器上（2）伺服系統(tǒng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)——交流或直流電動(dòng)機(jī)

氣動(dòng)伺服系統(tǒng)——冷氣氣動(dòng)或固體、液體推進(jìn)劑燃?xì)鈿鈩?dòng)

液壓伺服系統(tǒng)——液體壓力驅(qū)動(dòng)，比相同尺寸電動(dòng)機(jī)功率大

電磁閥或繼電器——用于控制閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉執(zhí)行器即執(zhí)行裝置是按照控制指令信號(hào)，將電力、液壓和氣壓等能源的能量轉(zhuǎn)換成飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的裝置。5.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內(nèi)容5.2空氣舵控制裝置

空氣舵控制裝置是一種通過(guò)空氣和舵面的相互作用而產(chǎn)生所需控制力或控制力矩的施力裝置，它根據(jù)控制指令操縱飛行器上的舵面偏轉(zhuǎn)與控制指令相對(duì)應(yīng)的舵偏角。放大器舵機(jī)反饋元件操縱機(jī)構(gòu)舵偏角舵面舵回路控制指令+-圖5-1單通道空氣舵裝置原理框圖單通道空氣舵裝置由舵回路、操縱機(jī)構(gòu)和舵面組成。5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路舵回路是飛行控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它按照控制指令信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)操縱舵面偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的空氣動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)飛行器的角運(yùn)動(dòng)或航跡運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定與控制。組成：由放大器、舵機(jī)、反饋元件（作用是改善舵回路特性）組成。舵回路負(fù)載：舵面的慣量和作用在舵面上的氣動(dòng)力矩（鉸鏈力矩）。鉸鏈力矩：當(dāng)舵面偏轉(zhuǎn)時(shí)，流過(guò)舵面的氣流產(chǎn)生與舵偏角對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力，并對(duì)舵機(jī)軸形成氣動(dòng)力矩。（1）舵回路的組成及要求5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（2）舵回路的指標(biāo)體系舵回路的選型和設(shè)計(jì)因素很多，慣量、體積等由結(jié)構(gòu)確定，工作電壓、電流由電氣系統(tǒng)確定，而負(fù)載力矩、頻帶、功率、最大舵偏角和余度是由飛行器總體指標(biāo)確定的。

負(fù)載力矩V圖5-2舵面不同偏轉(zhuǎn)角位置時(shí)的鉸鏈力矩5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路

頻帶

功率控制舵回路進(jìn)行1°幅值的正弦偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，幅值-3dB處的頻率值稱(chēng)為舵回路系統(tǒng)的頻帶。

舵回路頻帶是由飛行器的固有頻率ωn確定的，對(duì)于靜穩(wěn)定的飛行器一般可取5~10倍的ωn。舵回路的負(fù)載力矩和最大角速度之間是互相關(guān)聯(lián)的，其乘積就是舵回路系統(tǒng)的功率。5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)舵機(jī)是飛行控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，也是舵回路中的核心部件。舵機(jī)的功能是按照控制指令輸出力矩或力，驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)與控制指令對(duì)應(yīng)的舵偏角。舵機(jī)類(lèi)型：按照所用能源形式分為電動(dòng)舵機(jī)、液壓舵機(jī)、電液復(fù)合舵機(jī)和氣動(dòng)舵機(jī)。5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)電動(dòng)舵機(jī)組成：

①電動(dòng)機(jī)（直流或交流的）；②測(cè)速裝置；③位置傳感器；④齒輪傳動(dòng)裝置；⑤安全保護(hù)裝置。

控制方式：

直接式和間接式。特點(diǎn)：

①能源是電力，與飛控系統(tǒng)用同一能源，設(shè)計(jì)、控制方便；

②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、裝配維修方便；

③快速性較差。傳遞函數(shù)：5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)液壓舵機(jī)組成：

由電液信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置（即電液伺服閥，由力矩馬達(dá)和液壓放大器組成）、作動(dòng)筒和位移信號(hào)反饋裝置組成。優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、功率增益大、快速性好、靈敏度高、輸出功率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，可大范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍可達(dá)200：1）缺點(diǎn)：

①能源是高壓液體，性能易受環(huán)境條件影響；

②工藝要求高，制造裝配較困難，生產(chǎn)成本較高。傳遞函數(shù)：圖5-3典型液壓舵機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)液壓舵機(jī)液壓系統(tǒng)：

驅(qū)動(dòng)裝置

泵站

控制閥

馬達(dá)

負(fù)載5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)氣壓舵機(jī)氣壓式舵機(jī)分為冷氣式和燃?xì)馐蕉鏅C(jī)兩類(lèi)。圖5-4冷氣式舵機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖傳遞函數(shù)：圖5-5燃?xì)馐蕉鏅C(jī)原理結(jié)構(gòu)圖（a）比例式燃?xì)舛鏅C(jī)；（b）脈寬調(diào)制式燃?xì)舛鏅C(jī)5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)氣壓舵機(jī)優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)作迅速、響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；（2）空氣有可壓縮性，易于實(shí)現(xiàn)力控制和過(guò)載保護(hù)；（3）氣源為空氣或氦氣，無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境污染；

（4）氣壓舵機(jī)壓力等級(jí)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)，價(jià)格低。缺點(diǎn)：（1）位置控制和速度控制的精度較低，驅(qū)動(dòng)剛性差；

（2）工作壓力較低，因而氣動(dòng)舵機(jī)輸出力或扭矩較??；（3）氣動(dòng)系統(tǒng)有較大的排氣噪聲，需要消聲處理；5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機(jī)氣壓舵機(jī)5.2空氣舵控制裝置5.2.2空氣舵控制裝置傳遞函數(shù)及性能分析KpKMs(TMs+1)Koc-1iΔδΔU+-圖5-6采用比例控制方式的電動(dòng)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方框圖舵回路傳遞函數(shù)

舵回路穩(wěn)態(tài)精度舵回路穩(wěn)定性舵回路快速性5.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內(nèi)容5.3推力矢量控制裝置推力矢量控制（ThrustVectorControl,TVC）是一種通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)主推力相對(duì)飛行器質(zhì)心的偏移，產(chǎn)生改變質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向所需力矩的控制技術(shù)。圖5-7推力矢量控制原理圖MMTxφxLTTzTxTTyφy典型應(yīng)用包括：彈道式導(dǎo)彈、短程空空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、潛射導(dǎo)彈等。性能指標(biāo)體系：噴流偏轉(zhuǎn)角度、側(cè)向力系數(shù)、軸向推力損失、驅(qū)動(dòng)力等。5.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內(nèi)容5.4直接力控制裝置直接力控制一般是在無(wú)人飛行器橫向剖面內(nèi)按照一定規(guī)則布置噴流裝置，產(chǎn)生改變質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的直接控制力。用途：（1）提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；

（2）短時(shí)增大可用過(guò)載。典型應(yīng)用：美國(guó)“愛(ài)國(guó)者”防空導(dǎo)彈PAC-3、歐洲反導(dǎo)導(dǎo)彈Aster15/Aster30、俄羅斯防空導(dǎo)彈9M96E/9M96E2、大氣層外飛行器（如衛(wèi)星、飛船、彈道導(dǎo)彈、攔截器等）。操縱方式：（1）力操縱方式；

（2）力矩操縱方式。vPP圖5-8直接力控制裝置操縱方式示意圖5.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內(nèi)容直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個(gè)恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。換向器電刷5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）圖5-9直流電機(jī)工作原理示意圖優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便（可無(wú)級(jí)調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電流?。\(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制。缺點(diǎn)：換向器需經(jīng)常維護(hù)，電刷極易磨損，噪音比交流電機(jī)大。直流電機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成負(fù)載機(jī)械能的裝置。根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，直流電機(jī)可分成直流高速、直流低速和直流減速電機(jī)等。直流電機(jī)的控制方式：電壓控制或電流控制。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）直流電機(jī)速度計(jì)算公式：

ω

=(Ua

-IaRa)/Ceφ其中:Ua

電樞端電壓Ia

電樞電流Ra

電樞電路總電阻Ce

電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)φ

單極勵(lì)磁磁通量5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電阻、調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和調(diào)節(jié)電樞電壓三種方式。PWM控制是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī)的電樞兩端，通過(guò)對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）在周期一定的前提下，正脈沖越寬，平均直流電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。26電池電壓為10V，如果閉合開(kāi)關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為10V，接著斷開(kāi)開(kāi)關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為0V。顯然，在這100ms之內(nèi)，電燈的平均電壓為5V。如果使開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)的時(shí)間分配成60%和40%，在ta時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間為ta×60%，而斷開(kāi)的時(shí)間為ta×40%，所以平均電壓為6V。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）平均電壓27PWM信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，在某一時(shí)刻，直流電平要么為高電平，要么為低電平。PWM信號(hào)控制電源以一系列脈沖的形式向負(fù)載供電。在帶寬足夠的情況下，任何模擬信號(hào)平均電壓都可由PWM信號(hào)產(chǎn)生。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）28如何應(yīng)用PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速？如果PWM信號(hào)發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)峰值為12V、且占空比為50%，則得到PWM信號(hào)的平均電壓為6V，這與電池所提供的電壓相同。所以在PWM信號(hào)平均電壓為6V時(shí)，直流電機(jī)無(wú)論使用電池供電還是PWM信號(hào)發(fā)生器，其轉(zhuǎn)速是相同的。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速利用單片機(jī)I/O口輸出PWM信號(hào)方法一：利用軟件延時(shí)。高電平延時(shí)時(shí)間到，端口輸出電平取反；低電平延時(shí)時(shí)間到，端口輸出電平再取反，如此循環(huán)方法二：利用定時(shí)器控制電平反轉(zhuǎn)方法三：利用單片機(jī)自帶的PWM控制器5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）占空比10%占空比90%直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制（H橋電路）30轉(zhuǎn)向控制：電機(jī)的兩個(gè)管腳（+、-）和電源之間由4個(gè)開(kāi)關(guān)A、B、C、D控制著。圖（a）中，開(kāi)關(guān)A和D閉合，開(kāi)關(guān)B和C斷開(kāi)，這樣電流從直流電機(jī)的+極流向-極，于是電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖（b）中，開(kāi)關(guān)A和D斷開(kāi)，而開(kāi)關(guān)B和C閉合，則電流的方向與剛才正好相反，從電機(jī)的-極流向+極，于是電機(jī)反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速控制：可在圖（a）中，利用開(kāi)關(guān)A、D的閉合與斷開(kāi)時(shí)間控制PWM信號(hào)的正脈沖寬度，就可以控制正轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。在圖（b）中，利用開(kāi)關(guān)B、C通斷時(shí)間，產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制31控制轉(zhuǎn)向的4個(gè)開(kāi)關(guān)在實(shí)際電路中由場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)。如圖（a）所示，場(chǎng)效應(yīng)管Q1與Q4共G極，被置高電平，同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與Q3共G極，被置0，于是Q1、Q4導(dǎo)通而Q2、Q3截止，于是電流從直流電機(jī)的+極流向-極，電機(jī)正轉(zhuǎn)。在圖（b）中，場(chǎng)效應(yīng)管Q1與Q4截止而Q2與Q3導(dǎo)通，于是電流從電機(jī)的-極流向+極，電機(jī)反轉(zhuǎn)。場(chǎng)效應(yīng)管的D極和S極之間并聯(lián)一個(gè)二極管，當(dāng)直流電機(jī)的電感產(chǎn)生高壓而形成電流時(shí)，可以通過(guò)二極管放電而不會(huì)進(jìn)入場(chǎng)效應(yīng)管，從而保護(hù)了場(chǎng)效應(yīng)管。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）直流電機(jī)的通斷控制32需要根據(jù)電機(jī)的功率設(shè)計(jì)三極管開(kāi)關(guān)電路。三極管TIP110最大可驅(qū)動(dòng)額定電壓60V、額定電流2A的直流電機(jī)，并且在大電流工作狀態(tài)中三極管需要添加散熱器。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）單片機(jī)控制直流電機(jī)33單片機(jī)的I/O口輸出的電平信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的G極導(dǎo)通，可以在G極前添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，三極管Q5和Q7驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q2與Q3的共G極，而三極管Q6和Q8驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1與Q4的共G極。只要把單片機(jī)的I/O口分別接到三極管Q7和Q8，就可以用程序控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）直流電機(jī)的全面控制34B0=B1=B2=B3=0時(shí)，4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管全部截止時(shí)，直流電機(jī)兩端就好像懸空一樣，可以自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為空轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機(jī)會(huì)因?yàn)閼T性自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不久由于摩擦等阻力的存在會(huì)，電機(jī)漸漸停止下來(lái)。如果B1=B3=1且B0=B2=0，場(chǎng)效應(yīng)管Q3和Q4導(dǎo)通。這樣，電機(jī)兩端好像短路一樣，如果電機(jī)因?yàn)閼T性還在轉(zhuǎn)動(dòng)，則在兩端所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)在電機(jī)線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流，該電流在磁場(chǎng)（電機(jī)中有磁體）作用下產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力，從而阻止電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，起到了剎車(chē)的作用。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）直流電機(jī)的全面控制35在實(shí)際應(yīng)用中，可用直流電機(jī)控制芯片L298，電源端+Vs的供電與電機(jī)的額定電壓相同，最大不超過(guò)46V。L298已經(jīng)集成了場(chǎng)效應(yīng)管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，只要操作其控制端就可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制。在使能端ENB（11管腳）置1后，電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車(chē)、空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)控制端IN3（10管腳）和IN4（12管腳）實(shí)現(xiàn)，如果用單片機(jī)控制時(shí)，只要只要把L298的以上控制端與單片機(jī)的I/O口連接，由程序選擇運(yùn)行狀態(tài)即可。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機(jī)（DCMotor）舵機(jī)是位置伺服驅(qū)動(dòng)裝置，適用于需要角度連續(xù)變化且能夠保持穩(wěn)定的控制系統(tǒng)(如機(jī)器人關(guān)節(jié)、航?？諝舛嫫?。5.5小型無(wú)人機(jī)常用的執(zhí)行器5.5.2伺服電機(jī)（舵機(jī)——Servo）地線(xiàn)GND電源線(xiàn)Vcc控制信號(hào)